Комплексный подход к подбору компонентов для изготовления светотехнических изделий

На стадии разработки продукции светотехнического направления (как, впрочем, и в других областях) необходимо учитывать сочетаемость компонентов, от которой, в сущности, зависят технические характеристики изделия и сопутствующие капитальные и эксплуатационные затраты. Современная тенденция к миниатюризации коснулась и рынка светотехники: светодиоды (СД) становятся все меньше, а световой поток с единицы площади — все выше. Так, недавно компания Cree объявила о достижении в лабораторных условиях световой отдачи СД, равной 303 лм/Вт, что вплотную приближается к теоретическому пределу. Серийная продукция, например Cree XLamp XP-L, уже достигла эффективности 200 лм/Вт при токе 350 мА и T_j = +25 °C. Конечно, использовать XP-L на таком токе и с обеспечением необходимого теплового режима пока что дорого, но сам факт подобной возможности говорит о многом.

Размещение светодиодных чипов  более мощных серий в миниатюрных корпусах позволяют снизить стоимость как самого СД (за счет экономии на корпусе), так и конечного продукта — светильника. Ведь чем меньше СД, тем легче управлять его световым потоком, а значит, существует возможность использования более дешевой вторичной оптики меньших размеров. Кроме того, увеличение светового потока позволяет использовать меньшее количество СД.

Дискретные светодиоды

Cree XQ-E

XQ-E — это новый СД (рис. 1), обладающий характеристиками, аналогичными XP-E2, но с размером корпуса на 78% меньше, что делает его универсальным источником света для световых приборов, конструкция которых предполагает наличие ограничений по габаритам, например прожекторы для архитектурного освещения.

Рис. 1. Cree XQ-E

Семейство XQ-E позволяет производителям светодиодных светильников существенно снизить размеры и себестоимость изделий без ущерба для светового потока, эффективности и надежности.

Помимо различных вариантов с белым свечением, для XQ-E доступны и «цветные» модификации, в том числе и новый вариант янтарного цвета (PC Amber), основанного на использовании специального люминофора. Данная технология улучшает фотометрические характеристики СД, а также заметно повышает стабильность цветности излучения при увеличении температуры T_j и тока, протекающего через СД.

Миниатюрные размеры корпуса 1,6×1,6 мм предоставляют возможность достичь высочайшей концентрации светового потока при использовании этого СД в составе массива светодиодов. Так, разместив четыре XQ-E под оптикой, предназначенной для серии XP, можно получить четырехкратное увеличение светового потока по сравнению с XP с той же линзой.

Cree XB-H

Светодиод Cree XB-H в корпусе малого размера (2,45×2,45 мм) демонстрирует высокие значения светового потока и эффективность. Применение XB-H в проектах, рассчитанных для СД формата XP, позволяет создавать более компактные и, следовательно, менее дорогие изделия, а также разрабатывать решения нового класса, ранее недоступные в связи с существовавшими технологическими ограничениями.

Рис. 2. Cree XB-H

Для XB-H (рис. 2) легко подобрать оптику, поскольку на рынке имеется значительный ассортимент, предназначенный для его предшественника — XB-D, большая часть которого подходит и для XB-H.

Cree XP-L

Cree XP-L (рис. 3) представляет собой чип популярного СД XM-L2, упакованный в корпус формата XP (3,45×3,45 мм). Подобная модернизация привела к тому, что новинка способна обеспечить световой поток до 1226 лм и увеличить световую отдачу более чем на 50% путем простой замены в решениях XP-G на XP-L. При этом не требуется разработки новых плат: посадочные размеры и размеры контактных площадок у данных моделей совершенно идентичны.

Рис. 3. Cree XP-L

По сравнению с XM-L2 новинка имеет меньшие размеры корпуса, а значит, можно сократить габариты светового модуля. Тем не менее к этой задаче следует подходить максимально аккуратно, учитывая высокую мощность СД и связанные с этим сложности по обеспечению теплоотвода.

Благодаря высокой эффективности бинирование СД Cree XP-L производится на более высоком токе, чем у XM-L (1050 мА), и при температуре T_j = +85 °C.

Модель совместима с большинством доступных на рынке линз и рефлекторов для диодов XT-E, XP-E и XP-G. Это позволяет оптимизировать технико-экономические показатели светодиодных модулей путем применения различных моделей СД серии XP для одного и того же конструктива «печатная плата–блочная линза».

Основные параметры дискретных светодиодов Cree представлены в таблице 1.

Светодиодные матрицы

Развитие линейки СД-матриц Cree тоже не стоит на месте, и за последний год появилось несколько моделей, на которые следует обратить особое внимание. Современные матрицы Cree серии CXA можно разделить на две группы: матрицы SD (Standard Density) и HD (High Density), отличающиеся более высоким значением светового потока с единицы площади светящей поверхности СД (табл. 2, 3).

Cree CXA1830

Новая модель CXA1830 (рис. 4) расширяет семейство высокоэффективных матриц в малом форм-факторе. Небольшая площадь излучающей поверхности (диаметр составляет всего 14 мм) позволяет применять матрицу в огромном числе разнообразных приложений, например в лампах-ретрофитах и дизайнерских светильниках.

Рис. 4. Cree CXA1830

Следует отметить, что новинка аналогична модели CXA2530 по характеристикам, но стоит дешевле в связи с меньшим размером корпуса и количеством люминофора. По мнению Cree, обе матрицы имеют право на жизнь, поскольку для американского и европейского рынков основное назначение этих моделей — замена источников света в лампах-ретрофитах разного конструктива. Однако в России на данный момент потенциальный объем рынка по замене ламп-ретрофитов типа MR16 не настолько велик и новая модель CXA1830 в подавляющем большинстве случаев предпочтительнее CXA2530 из-за меньшей стоимости, компактности и сопутствующего уменьшения размеров вторичной оптики.

Cree CXA3590

Еще одна новинка, Cree CXA3590, обладая самой высокой мощностью во всей линейке матриц Cree (90 Вт в номинальном режиме), существенно расширяет диапазон возможных применений серии (рис. 5). В первую очередь это задачи проектирования промышленных и уличных светильников мощностью 100–150 Вт с использованием лишь одной матрицы.

Рис. 5. Cree CXA3590

Cree CXA HD

Матрицы HD следует рассматривать отдельно ввиду их особой специализации. Для уменьшения светящей поверхности компания Cree применила специальные чипы, количество которых меньше, а размер больше, чем у моделей SD аналогичной мощности. Это позволяет использовать вторичную оптику, например рефлектор, с существенно меньшим габаритом для достижения необходимой силы света и угла излучения.

К сожалению, данное изменение сказалось на цене продукта. Поэтому прямая замена матриц CXA SD аналогами по мощности возможна только при решении специализированных задач, в частности в торговом освещении, где на первый план выходят массо-габаритные показатели светильника, а не стоимость.

Cree CXA1310

Новейшая матрица CXA1310 (рис. 6) при малом диаметре светящей поверхности (6 мм) и световом потоке до 2700 лм позиционируется производителем в качестве эффективной замены 20-Вт металлогалогенных ламп, гарантируя сохранение светотехнических параметров при экономии мощности до 50%. Данный продукт может использоваться в качестве источника света в малогабаритных, излучающих вниз светильниках (downlight).

Рис. 6. Cree CXA1310

Cree CXA1850

Матрица CXA1850 (рис. 7) является старшей моделью в линейке CXA18. При диаметре светящейся поверхности 12 мм, что на 2 мм меньше, чем у CXA1830, новинка обеспечивает вдвое больший световой поток. Решения на этой матрице позволяют полноценно заменять 70-Вт металлогалогенные лампы с сохранением светотехнических параметров и экономией электропотребления до 50%.

Рис. 7. Cree CXA1850

Cree CXA2590

Матрица CXA2590 (рис. 8) способна заменить 150-Вт металлогалогенные лампы, предлагая существенную экономию мощности и более длительный срок жизни. Если сравнивать CXA2590 и CXA3590, то первая проигрывает по максимальному световому потоку, мощности и даже по стоимости. Но в ряде решений, где требуется минимизировать размер оптики и самого светильника, преимущества более компактного варианта CXA2590 неоспоримы.

Рис. 8. Cree CXA2590

Силиконовая оптика

Применение светодиодных матриц не может рассматриваться в отрыве от сопутствующих элементов конструкции, таких как держатель матрицы, вторичная оптика, теплоотвод и т. д.

Основные материалы, применяемые в производстве вторичной оптики для светодиодов, — PMMA (полиметилметакрилат) и PC (поликарбонат) — оказались непригодными для использования с мощными светодиодными матрицами. Ахиллесовой пятой стало изменение физических свойств этих материалов под действием высоких температур — линзы просто не выдерживают той мощности, которой обладают современные матрицы Сree.

Решить проблему можно с помощью рефлектора, но такой вид вторичной оптики обладает существенными недостатками: прежде всего это сложность, а иногда и невозможность формирования специальной КСС, большие габариты, потребность в защитном стекле для герметизации оптического отсека.

Рис. 9. Стеклянная оптика RLight

Но наметившиеся поначалу проблемы с подбором соответствующей оптики постепенно сходят на нет. На рынке уже начали появляться совместимые изделия как от азиатских производителей, так и от известных брендов. Подавляющую часть их ассортимента составляют линзы из боросиликатного стекла (рис. 9), технология изготовления которых уже давно известна и отработана. Но не так давно в портфолио изготовителей вторичной оптики добавился совершенно новый материал — оптический силикон (рис. 10, табл. 4).

Рис. 10. Силиконовая оптика LEDiL

Оптический силикон имеет целый ряд пре­имуществ, которые делают его перспективным материалом в области светодиодного освещения. Во-первых, это возможность применения при температуре до +150 °С, т. е. использование с мощными матрицами Cree CXA. Во-вторых, эластичность материала, ударопрочность, отсутствие необходимости в дополнительных «прокладках» для герметизации СД. В-третьих, технология литья из силикона позволяет быстро создавать оптику с любой КСС и поверхностью, не требующей дополнительной полировки.

Держатели для СД-матриц

Для крепления матриц к теплоотводящим поверхностям используют специальные держатели, изготовленные, чаще всего, из пластика. Компания IDEAL Industries, уже много лет специализирующаяся на изготовлении электротехнических товаров и аппаратуры для телекоммуникационных сетей, предложила рынку металлические держатели (рис. 11) для матриц, обладающие рядом преимуществ:

Рис. 11. Держатели матриц IDEAL

• Обеспечивают плотный прижим и точное позиционирование основания светодиодной матрицы. Для установки держателя требуется всего два винта.
• Изготавливаются из нержавеющей стали, что обеспечивает надежность и долговечность крепления, а также формирует дополнительные возможности по рассеиванию тепла.
• Выпускаются под все типы СД-матриц Cree серии CXA (табл. 5).
• Оснащены самозажимными клеммами уникальной конструкции, что позволяет избавиться от процесса пайки проводов и значительно сэкономить время и трудозатраты при сборке светильника.
• Выдерживают напряжение до 250 В, ток до 4 А, нагрев до +110 °С.
• Позволяют устанавливать рефлекторы производства компании LEDiL через специальные адаптеры IDEAL.